基于C-V2X的車路群體協同混合組網

葛 元，張為峰,韓延濤，李靜林

(1.中移(上海)信息通信科技有限公司，上海 200131；2.中國移動通信集團有限公司，北京 100033；3.北京郵電大學 網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876)

0 引言

車聯網通過先進的無線通信和互聯網技術，支持車與車(Vehicle-to-Vehicle，V2V)、車與人(Vehicle-to-People，V2P)、車與基礎設施(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)和車與云端網絡(Vehicle-to-Network，V2N)通信，實現全時空交通信息的實時和動態交互，滿足車輛主動安全控制和道路協同管理要求，以達到人、車、路的有效協同。在車聯網的支持下，車載與路側和云端的智能能夠通過相互協同實現多源異構數據融合、狀態預測，滿足車輛的環境感知增強和擴展要求，實現安全駕駛。車載與路側和云端的智能能夠通過相互協同實現聯合決策和控制，避免交通過程中存在的排隊、等待和決策邏輯死鎖等問題，提高通行效率，形成安全、高效和環保的道路交通系統[1]。

目前車聯網主要基于蜂窩技術的V2X通信技術——C-V2X(Cellular based Vehicle-to-Everything)[2]實現。C-V2X在通信范圍、容量、車輛移動速度和抗干擾性等各方面的性能全面優于短距無線通信技術(Dedicated Short-Range Communications，DSRC)[3]，且與4G、5G兼容，具有明確的長期演進路線。根據3GPP標準，C-V2X技術包含2種通信接口：一種是點對點直接通信接口(PC5)，支持V2V/V2I直接通信；另一種是終端和基站之間的通信接口(Uu)，支持V2N/V2P通信。

符合4G規范的C-V2X技術被稱為LTE-V2X[4]，符合5G規范的C-V2X技術被稱為NR-V2X[5]。與LTE-V2X相比，NR-V2X的PC5口使用Sidelink技術增強了點到點直接通信能力，從LTE-V2X時代的廣播體制，進一步擴展為支持單播、多播和廣播多種模式，并為多終端的協同控制提供了基礎。

針對當前V2X組網面臨的現實問題和不同組網方式存在的局限進行深入分析，基于車路協同消息流量測算和網絡能力需求，論證了5G獨立組網難以支持純Uu通信方式的車路協同系統應用需求，并提出了C-V2X混合組網方案。

1 C-V2X通信網絡架構

目前，3GPP組織規范的以4G/5G為基礎的C-V2X車聯網通信網絡架構如圖1和圖2所示[6-8]。

圖1 4G/C-V2X車聯網組網架構Fig.1 4G/C-V2X networking architecture for Internet of Vehicles

圖2 5G/C-V2X車聯網組網架構Fig.2 5G/C-V2X networking architecture for Internet of Vehicles

該組網架構作為一種理想模型，由于設備終端廠商的終端支持能力程度和設備管理開放性滯后，及產業界對5G性能認識的誤區，尚未全面落地。目前實際落地的C-V2X車聯網組網模式主要包括3種：C-V2X專網組網、C-V2X/4G/5G疊加組網和4G/5G獨立組網。

(1) C-V2X專網組網架構

以設備廠商和傳統智能交通企業集成為主的落地項目主要采用C-V2X專網組網架構，通過獨立的支持C-V2X的路側單元(Road Side Unit，RSU)實現基于PC5的廣播通信。路側各類感知設施或交管設施，將感知數據和狀態數據實時同步給路側計算單元，通過計算單元進行信息解析后轉為通用V2X消息，再通過RSU分發給目標用戶終端。同時，部署車載單元(Onboard Unit，OBU)實現車車、車路之間的PC5廣播通信，并最終實現車路協同，如圖3所示。

圖3 C-V2X專網組網架構Fig.3 C-V2X private network architecture

目前國家已經批復5.9 GHz中的20 MHz頻段作為該專網組網模式的專用頻段，提供交通信息服務。這一模式的優勢在于RSU復雜度要求低，系統整合簡單，能夠快速形成服務。但缺點是需要在路側建設足夠多的RSU，以便實現服務的廣泛覆蓋，同時所有用戶必須具備支持PC5通信能力的終端。但由于終端的普及率較低和RSU的成本、質量等問題，相關建設規模受到限制。

(2) C-V2X/4G/5G疊加組網架構

由于C-V2X分配的20 MHz專用頻段遠遠不能滿足增強的車路協同服務需求，目前在車聯網/智能交通示范區建設過程中，亦采用C-V2X/4G/5G疊加組網模式，以充分利用運營商網絡資源。

疊加組網的用戶終端同時支持PC5口和Uu口，分別通過RSU接入專網實現基于PC5口的交通信息廣播服務，通過基站接入公網實現基于Uu口的車載信息服務，如圖4所示。

圖4 車路協同疊加組網架構Fig.4 Superposed networking architecture for vehicle-infrastructure cooperation

疊加組網架構能夠發揮RSU專網的優勢，V2V/V2I消息無需經過4G/5G基站轉發，能夠較好地滿足實時性等要求。但缺點是用戶端設備需專用芯片以同時支持Uu口和PC5口通信能力，且電信域和路側專網域只能在云端進行數據統合，互操作能力弱。

(3) 4G/5G獨立組網架構

由于RSU部署和OBU滲透率問題，電信運營商和車載信息服務提供商(Telematics Service Provider，TSP)等也在嘗試直接基于4G/5G網絡提供車路協同服務。

4G/5G獨立組網主要通過Uu口實現對目標用戶的V2V/V2I信息交互。路測數據通過路側計算單元處理后，傳輸至平臺數據中心部署的信息分發管理平臺或應用平臺，通過Uu口分發給目標用戶終端。這一組網架構的優點是對用戶終端類型等無特殊要求，具備4G/5G蜂窩通信網接入許可的傳統手機也可滿足，且網絡結構成熟、易于管理。但缺點是終端數據和路測數據需要全部傳回平臺進行處理，處理延遲較大。

在5G時代，5G NR無線信道的低時延、大帶寬和大連接能力能夠實現車路通信優化。核心網側則通過UPF直接接入基于特定區域的邊緣計算節點，平臺能力可以下放到邊緣側，實現數據轉發路徑的大幅縮短，系統時延亦能夠滿足大部分V2X服務要求。但由于5G獨立組網需要將車載終端與傳統移動互聯網終端統一接入基站，存在資源競爭，需要考慮網絡資源負載情況。

2 車路協同通信流量測算

目前車路協同所需支持的服務主要包括車輛安全、地圖分發、紅綠燈信號、車速引導、異常預警、道路信息廣播和電子路牌信息等[9]，如表1所示。

表1 V2X應用層及應用數據交互標準(第1階段)

要傳輸的數據為經過協議轉化的V2X消息，根據消息的種類以及每一類的數據量和消息的傳輸頻次，V2X的消息傳輸總量可表示為：

V2X消息流量=∑(各類消息數據量×頻次)。

如果采用疊加組網方式，通過RSU PC5口進行V2X消息廣播，由于廣播模式與用戶規模關系較小，下行流量整體可控。

如果采用獨立組網方式，通過基站Uu口進行V2X消息播發，由于Uu口與PC5口的模式差異，廣播式消息需拆分到每一個目標用戶，以進行消息播發，則單個消息的下行流量為：

Vv2x下行=B×VMAP×2+C×VRSI×10+D×VRSI×1+

(A+E+F)×VRSM×10+G×VSPAT×2，

其參數含義如表2所示。

表2 下行消息計算公式中的參數含義

基于以上模型，選取典型路口場景，對人流和車流進行假定，計算瞬時消息流量。

結合實際環境，選取雙向8車道路口，無線覆蓋半徑200 m，在早晚交通嚴重擁堵高峰期的道路狀態如圖5所示。

圖5 交通一般擁堵場景Fig.5 General traffic congestion scenario

這種情況下，覆蓋范圍內車輛的數量為384，范圍內行人瞬時流量可達500人，非機動車數量為100輛。在不考慮算力需求的前提下，僅考慮技術成熟度和商業化進展情況下，分以下情況測定V2X數據流量。

(1) 試驗階段

按目前常規車路協同業務考慮，主要為測試車輛，用戶占總體車輛的1%，相關數據模型如表3所示。業務用戶僅4個測試車輛用戶，則整體數據流量：

VV2X下行=216.24 KB/s，

整個小區的流量使用為0.810 9 MB/s。

表3 試驗階段相關數據模型

(2) 初步商業化階段

如業務得到發展應用，V2X用戶占總體車輛的比例可能快速到達10%，在其他條件不變情況下，相關數據模型如下。

業務用戶40個，整體數據流量：

單個消息VV2X下行=561.84 KB/s，

整個小區的流量使用為21.069 MB/s。

初步商用階段相關數據模型如表4所示。

表4 初步商用階段相關數據模型

(3) 初步規模化應用階段

V2X業務得到普及，車輛和個人用戶普及率達到50%(根據智能網聯汽車發展路線圖，預計為2025年達到)，技術有所突破，相關數據模型如下。

業務用戶442個，則整體數據流量：

單個消息VV2X下行=2 587.68 KB/s，

整個小區的流量使用為1 116.95 MB/s。

由于從廣播到點到點單播需要消息復制拆分，會存在消息冗余，造成下行流量因用戶規模影響出現較大變化。

初步規模化應用階段相關數據模型如表5所示。

表5 初步規模化應用階段相關數據模型

3 4G/5G基站承載能力測算

由于V2X通信需求為實時的ms級通信，所以V2X消息終端始終處于激活RRC狀態，對于4G/5G網絡主要影響有2個層面，分別是小區激活通信通道的占用和小區PDSCH資源的占用。

根據常規公開數據，4G的小區激活RRC連接用戶數約400個，常規配置下無線流量峰值速率為150 Mb/s，即18.75 MB/s。考慮4G/5G網絡目前主要仍用于個人用戶通信保障，分配給V2X的資源占比一般不會超過20%。故對于V2X用戶僅能提供80個激活RRC連接用戶數，無線峰值流量為18.75 MB/s，僅能支持試驗狀態下的車路協同系統使用。

5G的小區激活RRC連接用戶數約3 000個，常規配置的峰值流量達到1.5 Gb/s，即192 MB/s，僅能支持初步商業化程度的車路協同系統使用。

由此可見，雖然5G獨立組網能夠支持商業化起步階段的車路協同系統應用，但也難以承載車路協同系統初具規模時的通信需求。其核心原因是：

(1) V2X消息為實時性要求高的業務類型，要求高等級SLA進行通信資源保障，具有遠超手機或其他物聯網終端用戶的高優先級資源搶占，基站難以平衡車聯網需求和移動互聯網需求；

(2) 第1階段需支持的V2X消息在內容上主要為預警、通知類信息，基于用戶規模大量重復播發，用戶量越大，資源消耗越大。而傳統移動通信網絡MBMS廣播體制并非為這種高頻信息類廣播設計，難以滿足需求；

(3) 使用Uu口進行點到點通信的定向播發，適合精細化單車控制，將高頻度廣播類消息轉化為點到點消息，必然會帶來大量計算和帶寬資源冗余消耗，該計算量會由消息數量與用戶規模乘積規模增長，造成數據交互延時和成本高企。

因此，目前在實踐中，主要采用支持C-V2X標準的疊加網絡構建模式，解決4G/5G網絡下Uu口能力無法滿足即時、冗余的廣播業務需求的問題。

4 支持網絡協調的混合組網模式

隨著自動駕駛和智能網聯汽車的發展，新型的感知數據共享、協作式控制等車車、車路協同類服務已經出現，這些服務具有兩方面特征：一是資源需求大，如感知數據共享，其可能包括全路面范圍內所有目標對象(300～500個)的歷史軌跡點和預測軌跡點，平均報文大小可能超過10 Kb/s；二是目的性強，如車輛引導、駕駛決策等，需要有選擇性地與特定位置和時機的參與方進行通信[10]。

這類新型服務給傳統C-V2X組網模式帶來2個問題：

(1) 支持用戶數量瓶頸問題：LTE-V目前所支持的PC5直通接口廣播類服務主要基于Mode 4方式，通過車輛間的分布式算法進行流量調度和干擾管理。即便使用5G NR-V2X，并將PC5接口帶寬擴展為40 MHz，5G PC5接口模式2(依靠終端自身進行分布式資源選擇)可以承載的用戶數也將遠少于300個[11-13]，不足以支持規模化應用。更大的報文長度或將點到點消息轉換為廣播消息都將進一步惡化承載用戶數量。

(2) 復雜場景資源調度問題：雖然基站和網絡能夠探測網絡資源狀態并利用NR-V2X模式1或高級別的資源調度方式解決無線資源有效利用問題，但單獨部署的RSU難以與運營商基站共享無線資源探測結果，無法實現協同調度。同時由于車輛的高速移動，車輛間的拓撲復雜時變，不管是基站還是RSU，僅僅依靠無線資源探測都無法準確預測車輛之間的位置關系變化所引起的潛在資源沖突。

這些問題都限制了大規模車路群體智能協同過程中的資源分配準確性和效率。針對以上問題，需考慮構建新型混合組網模式。該模式一方面利用獨立部署的RSU實現路面標牌、事件和狀態的I2V廣播，從而簡化交通廣播類服務實現。另一方面，利用網絡控制下的Sidelink實現車車之間PC5口的單播或廣播，降低Uu口對移動互聯網的資源搶占，提高所能支持的網絡容量。同時將V2X應用功能分層，通過構建RSU網絡與基站網絡共享的區域邊緣計算，解決RSU/基站聯合無線資源占用態勢認知和RSU/基站/D2D混合業務提供問題。

支持網絡協調的混合組網模式如圖6所示。

圖6 支持網絡協調的混合組網模式Fig.6 Hybrid networking mode supporting network coordination

支持網絡協調的混合組網模式在以下幾方面引入變革：

(1) V2X應用服務能力下沉與能力開放

將云端的V2X應用服務能力分解和下沉到邊緣計算，同時將V2X應用服務能力劃分為路側協同認知服務和區域協同決策服務，分別部署在路側邊緣計算和區域邊緣計算，實現V2X應用服務能力的分級管理[14]。區域邊緣計算中的V2X應用服務一方面能夠獲得終端上報的高精度位置，另一方面能夠獲得路側V2X應用服務上報的路測高精度認知結果，并實現路面細粒度態勢融合認知[15]。據此，路側V2X應用服務重點關注車路廣播式信息的認知和播發，區域V2X應用服務能夠重點關注多車單播式協同信息的控制和不同模式業務協同控制。

(2) 引入受控Sidelink資源調度并開放V2X資源調度能力

在5G網絡中引入基站控制下的Sidelink資源調度，以支持多車之間使用Sidelink單播完成感知數據共享、車車協同等服務，無需占用Uu口傳輸資源。基站控制下的Sidelink資源調度目前主要基于解調其他終端的SCI(Sidelink Control Information)信息或者其他Sidelink測量結果(如Sidelink DMRS的L1 Sidelink RSRP測量)。這些測量值可以通過5G網絡中的NWDAF(Network Data Analytics Function)功能收集[16]，并可以通過設置PCF的預定義策略實現終端在接入基站過程中獲得Sidelink配置的預定義參數[17]。但是由于車輛的高速移動和路口等復雜路況下的車輛拓撲快速變化，導致網絡測量結果無法準確反映車輛之間位置關系與資源映射，預定義策略也可能無法滿足資源高效調度需求。因此，需基于V2X控制功能(V2XCF)將V2X資源調度能力開放，以支持引入其他維度信息對資源進行有效調度。

(3) 引入跨域V2X資源管理實現通信域與交通域聯動

在區域邊緣計算中引入相對獨立的V2X資源管理，實現對5G核心網和路側RSU疊加專網的V2X資源聯合認知與統一調度管理[18]。V2X資源調度有賴于車輛之間的通信需求，而單純通過V2XCF開放的網絡質量測量結果并無法準確預測車輛之間的協同需求。基于高精度定位和路測共同構建的路面細粒度態勢[19]，將有助于更準確地評價多車協同預期，從而能夠為高效的Uu口和PC5口資源預測、資源預留、資源重選、資源搶占和資源分區等打下基礎。因此，V2X資源管理可以通過綜合網絡測量結果和路面細粒度態勢，計算并產生多車協同建議拓撲，以指導生成各個用戶終端的Sidelink資源配置建議。

基于網絡協調的混合組網模式能夠將交通態勢認知與網絡態勢認知結果融合，充分利用車輛間時空關系協調基站Uu口單播、RSU PC5廣播、V2X PC5口廣播和單播資源，通過對無線資源的主動調度，實現V2X業務能力與網絡能力的適配。

5 結束語

網絡協調下的混合組網能夠克服4G/5G獨立組網的用戶數量和廣播性能局限，能夠解決V2X獨立組網/疊加組網的資源聯合調度瓶頸，實現高效的路側交通廣播及基于Sidelink的點到點單播，減少了對Uu口Uplink/Downlink資源消耗。同時，區域邊緣計算呈現出的路面細粒度交通態勢能夠有效支持基于多車輛時空位置拓撲的資源需求預測，進而實現對無線資源的有效預留和重選，從而為車路群體協同提供了較低成本的可行實現方案。

網絡協調下的混合組網有賴于終端對新型Uu口和PC5口模式的支持，及網絡側系統整合能力和開放能力，這都將導致建設運維成本的增加，在產業商業價值不足以替代成本的情況下，相關產業推進難度較大。但隨著自動駕駛/高級輔助駕駛需求的增長和5G基礎設施的升級，基于C-V2X的混合組網將能夠逐漸落地，并有效支持車路群體智能協同服務。